Wie im Gebäudesektor nachhaltig Energie eingespart werden kann, fasst das von der Technischen Universität Delft entwickelte Modell Trias Energetica“ in drei Punkten zusammen. Im ersten Schritt liegt der Fokus auf der Reduktion des Energieverbrauchs und der Vermeidung von Energieverschwendung. Denn die umweltverträglichste Energie ist die, die gar nicht erst verbraucht wird. An zweiter Stelle wird die Nutzung regenerativer Energiequellen zur Deckung des restlichen Energiebedarfs genannt. Erst nachdem diese beiden Maßnahmen umgesetzt wurden, können fossile Energieträger zum Einsatz kommen. Allerdings nur dann, wenn dies zur Deckung des restlichen Energiebedarfs eines Gebäudes zwingend notwendig ist und die fossilen Energieträger so effizient und umweltverträglich wie möglich eingesetzt werden.
Der Gesetzgeber gibt den Rahmen vor
Die Energiewende im Gebäudesektor wird vom Gesetzgeber mit verschiedenen Verordnungen vorangetrieben. So sind ab 2020 Netto-Null-Energiegebäude im gewerblichen Gebäudebereich Pflicht. Gleichzeitig ist das Kernelement der EnEV 2014 eine Reduzierung des Primärenergiebedarfs für Neubauten um einmalig 25 Prozent ab 1. Januar 2016 im Vergleich zur EnEV 2009. Dabei werden von der EnEV 2014 vor allem auch höhere Anforderungen an die Gebäudehülle gestellt. Da die Wärmedämmung der Gebäudehülle immer besser wird, sinkt in Zukunft der Heizbedarf weiter. Entsprechend erfolgt eine Angleichung des Heiz- und Kühlenergiebedarfs in einem Gebäude.
Aufgrund dessen werden Systeme, die sowohl heizen als auch kühlen können in Zukunft stärker nachgefragt werden. Neben Systemen, die nur kühlen, zeigt sich am Markt schon seit 1990 auch ein kontinuierlicher Anstieg von reversiblen Systemen wie Luft/Luft-Wärmepumpen, die kühlen und heizen. Der Vorteil von Luft/Luft-Wärmepumpen ist, dass mit nur einem System die Raumheizung und -kühlung sowie die Lüftung und Warmwassererzeugung bereitgestellt werden können und somit das thermische Energiemanagement von Gebäuden vollständig abzudecken wäre.
Netto-Null-Energiegebäude sind schon heute realisierbar
Bereits realisierte Projekte wie das Bürogebäude der Büroelektronik Grasenhiller GmbH zeigen, dass das Netto-Null-Energiegebäude keine Zukunftsvision mehr ist, sondern heute schon mit Serientechnologien wie der VRV-Wärmepumpe von Daikin umgesetzt werden kann. Für die Grasenhiller GmbH war der Nachhaltigkeitsaspekt ihres 2009 errichteten Geschäftsgebäudes besonders wichtig. So sollten die Anforderungen der damals geltenden EnEV 2009 nicht nur erfüllt, sondern deutlich übererfüllt werden.
Durch die Kombination des hohen Dämmstandards mit der effizienten Luft/Luft-Wärmepumpe VRV konnten die An-forderungen der EnEV sogar um 33 Prozent unterschritten werden. Im November 2010 wurde auf Wunsch des Betreibers auf dem Pultdach des Gebäudes noch eine 31,7-kWp-Photovoltaikanlage installiert, die eine Strommenge von etwa 29 000 kWh/a produziert. Dies ist etwa der Betrag, der für die Kühlung und Beheizung des Gebäudes notwendig ist. Somit deckt die Stromerzeugung den Stromverbrauch vollständig ab und das Gebäude kann CO2-neutral gekühlt und beheizt werden.
BHKW und VRV-Wärmepumpe kombiniert
Auch durch die Kombination eines Blockheizkraftwerks (BHKW) mit einer VRV-Wärmepumpe kann ein Gebäude umweltfreundlich und wirtschaftlich betrieben werden. Dies zeigt der Neubau des Seniorenzentrums Haus Simeon in Emsdetten. Die Eigenstromerzeugung des BHKWs deckt den Jahresstrombedarf der VRV-Systeme ab. Durch die Veredelung des Eigenstroms mit der Wärmepumpe können besonders niedrige Wärmegestehungskosten von ca. 2,0 Cent je kWh realisiert werden.
Aufgrund des hohen Anteils an selbst genutzter Kraft-Wärme-Kopplung deckt die Anlage langfristig die Auflagen des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) ab und macht den Betreiber somit unabhängig von zukünftigen Preisentwicklungen auf dem Strommarkt. Bei Einsatz von Bioerdgas, das vom Haus Simeon für die Zukunft geplant ist, ist der Anlagenprozess zu 100 Prozent regenerativ.
Neue, effizientere Systeme sparen Primärenergie ein
Diese beiden Beispiele zeigen, dass die Technologien für die Umsetzung der Energiewende im Gebäudebereich schon heute vorhanden sind und in der Praxis erfolgreich eingesetzt werden. Dass diese Systeme auch immer effizienter werden, beweist die Wärmepumpe VRV IV von Daikin, die im Vergleich zum Vorgängermodell bis zu 25 Prozent Primärenergie einspart.
Besonderes technisches Merkmal der Wärmepumpe ist die variable Kältemitteltemperatur (VRT-Technik). Das bedeutet, dass die Verdampfungs- bzw. Verflüssigungstemperatur im laufenden Betrieb an den Leistungsbedarf angepasst wird. Im Verlauf eines Jahres arbeitet das System überwiegend im Teillastbetrieb, denn die maximale Kälte- bzw. Heizleistung eines VRV-Systems wird nur selten benötigt. Besteht beispielsweise in der Übergangszeit von Sommer auf Herbst geringer Kühlbedarf und liegt die Raumtemperatur nah am Sollwert, stellt die VRV IV automatisch eine höhere Verdampfungstemperatur ein und verbraucht somit weniger Energie. Dadurch wird die saisonale Effizienz um 25 bis 30 Prozent gesteigert.
Eine weitere technische Besonderheit der VRV IV ist der kontinuierliche Heizbetrieb während der Abtauphase der Außengeräte. Die Wärmepumpe hat nun einen Abtau-Energiespeicher, der während des normalen Betriebs aufgeladen wird. Die Innengeräte verbleiben während des Abtauens im Heizbetrieb, da die notwendige Abtauenergie nicht mehr dem Gebäude entzogen werden muss, sondern vom Abtauspeicher bereitgestellt wird. Dies steigert den Raumkomfort deutlich.
Wärmerückgewinnung im 3-Leiter-System
Die Wärmepumpe VRV IV liegt auch als Wärmerückgewinnungssystem vor. Mit der Version VRV IV Heat Recovery kann zusätzlich Energie eingespart werden, indem Abwärme aus den zu kühlenden Bereichen eines Gebäudes zurückgewonnen und zum Heizen anderer Bereiche und der Warmwasserbereitung verwendet wird. Das als 3-Leiter-System konzipierte Wärmerückgewinnungssystem beinhaltet (schematisch gesehen) drei Wärmeübertrager: zwei davon im Gebäude, einer im Außengerät. Sofern an einem der beiden Innen-Wärmeübertrager (schematisch gesehen) Kühlbedarf besteht, also Wärmeenergie abgeführt werden muss, und am anderen Innengerät geheizt werden muss, findet der Wärmeübergang zwischen diesen beiden Wärmeübertragern statt. Der Außen-Wärmeübertrager wird nur dann benötigt, wenn das Verhältnis zwischen Heiz- und Kühllast unterschiedlich ist und zusätzlich Wärmeenergie ab- bzw. zugeführt werden muss. Im Idealfall kann somit die Abwärme (z. B. einer Technikzentrale oder eines Serverraumes) innerhalb eines Gebäudes komplett zur Beheizung der weiteren Räume genutzt werden, ohne weiteren Energieeinsatz.
Wärmeübertrager für weitere Energieeinsparungen
Aufgrund eines neuen, dreiteiligen Außengeräte-Wärmeübertragers ist die Wärmepumpe VRV IV Heat Recovery bis zu 30 Prozent effizienter als ihr Vorgängermodell. Die Fläche des Wärmeübertragers wurde verdoppelt und die höhere Anzahl der Rohre führt zu geringeren Druckver-lusten. Die unteren 5 Prozent der Wärmeübertragerfläche werden von Heißgas durchströmt, sodass Eisansatz im Winter verhindert wird. Das Außengerät bleibt damit jederzeit eisfrei. Mit dieser Entwicklung reagiert Daikin auf die steigende Bedeutung des Heizbetriebs bei VRV-Systemen und ermöglicht einen sicheren Winterbetrieb.
Wann ist Wärmeverschiebung sinnvoll?
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Wärmeverschiebung dort sinnvoll ist, wo die Komfortansprüche oder Nutzungsbedingungen eine zeitgleiche Heiz- und Kühlnachfrage im Gebäude erwarten lassen. Dabei steht allerdings nicht der energetische Vorteil im Vordergrund. Besonders sinnvoll ist die Nutzung von Wärmeverschiebung bei Lasten wie Servern, die ohnehin gekühlt werden müssten. Laut einer Studie des ILK Dresden Institut für Luft- und Kältetechnik aus dem Jahr 2009 ergeben sich daraus Verbrauchskostenvorteile von bis 25,8 Prozent gegenüber getrennten Kühl- und Heizsystemen.
Fazit
Luft/Luft-Wärmepumpen, die kühlen und heizen, sowie Wärmerückgewinnungssysteme kommen heute schon vielfach zum Einsatz. Mit Wärmerückgewinnungssystemen wurden bis zum Jahr 2010 bereits etwa 100 Mio. t CO2-Emissionen pro Jahr eingespart. Durch eine verstärkte Nutzung von modernen Lüftungsanlagen sowie Kälte- und Klimasystemen mit Wärmerückgewinnungsfunktion im Bereich der Nicht-Wohngebäude wird im Jahr 2025 ein Einsparpotenzial von zusätzlichen 50 Mio. t CO2 gegenüber dem von 2010 vorhergesagt. Dies belegt eine im Juni 2013 erschienene Studie der Hochschule Trier1. Nicht-Wohngebäude, wie Büro- und Verwaltungsgebäude, Gewerbebauten oder Krankenhäuser, machen in Deutschland zwar nur acht Prozent des gesamten Gebäudebestands aus, verbrauchen aber etwa zwei Drittel des Energiebedarfs. Dadurch ergeben sich die enormen Energieeinsparpotenziale und die damit verbundene Reduzierung des CO2-Ausstoßes.
Thomas Graupensberger,
Leiter Vertrieb Gewerbe, Daikin Airconditioning Germany GmbH, Unterhaching
Fußnoten
Studie zum Beitrag und zum Anteil der Wärmerückgewinnung aus zentralen Raumlufttechnischen Anlagen (RLT-Anlagen) in Nicht-Wohngebäuden“ der Hochschule Trier im Auftrag des Fachverbands Gebäude-Klima e. V. vom 10. Juni 2013
